基于微波傳輸?shù)暮Ｃ嫘畔⒏咚俾方ㄔO(shè)研究

摘要：本文通過對煙臺移動在蓬萊外島間部署的微波鏈路所使用的先進技術(shù)介紹，說明了微波鏈路高帶寬傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方案，重點介紹了鏈路聚合技術(shù)的實現(xiàn)原理和兩種實現(xiàn)方式，并且對比了傳統(tǒng)鏈路聚合技術(shù)和NEC RTA鏈路聚合引擎技術(shù)的異同及優(yōu)缺點。經(jīng)過測試驗證，證明了該方案的實用性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：RTA聚合算法； 高調(diào)制技術(shù)；鏈路聚合；QOS

隨著國家鼓勵對海洋資源的深度開發(fā)和利用，在海面和海島上實現(xiàn)穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是為實現(xiàn)國家這個戰(zhàn)略目標首當其沖需要解決的問題。目前為了實現(xiàn)大容量的信息傳輸，海底光纜是各家運營商普遍使用的通信手段。但海底光纜存在著投資巨大，安裝困難，建設(shè)周期長，船舶航行易于造成光纜中斷等問題。為了解決這些問題微波傳輸就成了該方案有益的補充。目前的微波傳輸系統(tǒng)，通過壓縮技術(shù)，高階調(diào)制技術(shù)和鏈路聚合技術(shù)解決了傳統(tǒng)微波傳輸容量有限的問題，這些技術(shù)在地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是海面?zhèn)鬏敆l件對于微波傳播來說非常惡劣，這些先進的技術(shù)是否能夠在海面?zhèn)鬏敪h(huán)境里得到穩(wěn)定應(yīng)用還未得到實際的驗證，煙臺移動在這一課題上進行了大膽的嘗試，并收到了非常好的效果。

一、煙臺移動跨海微波項目建設(shè)背景

隨著國家鼓勵對海洋資源的深度開發(fā)和利用，在海面和海島上實現(xiàn)穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是首先需要解決的問題。煙臺長島自建第二路由海纜經(jīng)估算每公里需80萬-100萬元成本，并且后期維護難度和成本都較高。經(jīng)綜合評估傳輸?shù)陌踩?，引?0GE微波設(shè)備作為PTN環(huán)網(wǎng)保護，形成OTN+微波的組網(wǎng)方式，其中海纜段落實現(xiàn)OTN鏈式組網(wǎng)、微波段落為業(yè)務(wù)的保護路由。微波路由在海纜正常的情況下只承載少量的業(yè)務(wù)，一旦海纜發(fā)生中斷，海纜路由的全部業(yè)務(wù)將通過微波路由進行傳輸，從而實現(xiàn)海島5G和家寬業(yè)務(wù)雙重保護，實現(xiàn)業(yè)務(wù)無感知切換。

二、煙臺移動跨海微波項目設(shè)計方案及先進技術(shù)

本方案充分利用微波4096QAM的調(diào)制方式和鏈路聚合技術(shù)、華為PTN設(shè)備的環(huán)網(wǎng)層級保護。結(jié)合長島的特殊地理位置，在OTN+微波組網(wǎng)、帶寬使用評估、網(wǎng)絡(luò)整體組網(wǎng)架構(gòu)和后期演進支撐等方面具有較高自主性，并在山東省內(nèi)唯一海島縣業(yè)務(wù)保護和提升客戶感知方面積累了經(jīng)驗，實現(xiàn)了海面信息高速公路。

此方案主要涉及的傳輸設(shè)備包括華為PTN設(shè)備和大容量IP數(shù)字微波，通過這兩款設(shè)備的協(xié)同，實現(xiàn)海底光纜與IP微波互相結(jié)合，各取所長，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定高效的傳輸。

（一）華為PTN環(huán)網(wǎng)保護技術(shù)

煙臺PTN網(wǎng)絡(luò)作為省內(nèi)首個加載環(huán)網(wǎng)保護地市，本成果中利用PTN環(huán)網(wǎng)保護將OTN和微波技術(shù)充分融合。既實現(xiàn)了長島本島和北五島業(yè)務(wù)保護，又實現(xiàn)了上行至兩處核心機房市到縣業(yè)務(wù)保護，雙重保護讓傳輸業(yè)務(wù)更加穩(wěn)定、可靠。

（二）大容量IP數(shù)字微波

利用某公司的7000IP型微波設(shè)備為各島嶼間提供達高度4Gbps的傳輸帶寬。在方案設(shè)計時，煙臺移動課題小組已經(jīng)預(yù)見到此方案需要解決的關(guān)鍵問題，包括以下幾個方面：

保證微波的穩(wěn)定傳輸，鏈路的年可用度需要達到99.99%；

保證微波容量達到4Gbps；

由于基礎(chǔ)設(shè)施的限制，天線口徑不能過大；

微波設(shè)備需要提供嚴格的QOS功能，在鏈路出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸。

基于以上考慮，在設(shè)計時采用了高級鏈路壓縮技術(shù)、高級QOS技術(shù)、高調(diào)制技術(shù)、自動調(diào)制模式控制技術(shù)和微波鏈路聚合技術(shù)。其中，高調(diào)制技術(shù)和鏈路聚合技術(shù)是保證微波鏈路高容量的關(guān)鍵技術(shù)。

1.高調(diào)制技術(shù)

某公司7000IP微波的調(diào)制解調(diào)器可以支持高達4096QAM的調(diào)制方式。在這種調(diào)制方式下，單波導(dǎo)微波帶寬在理想環(huán)境最大可達到1Gbps，在實際使用中也可以實現(xiàn)600Mbps的穩(wěn)定傳輸。由于是在海面上進行傳輸，海面反射強烈，對微波傳輸會造成很大干擾。同時，由于潮汐作用，海面反射情況隨時變化，因此很難通過工程手段克服這個困難。NEC微波提供了特有的前向糾錯和高靈敏度的調(diào)制解調(diào)器，為解決這個問題提供了技術(shù)保證。盡管在鏈路部署初期，針對這些困難已進行了反復(fù)的勘測和細致的規(guī)劃設(shè)計，但大家對這樣的技術(shù)在實際使用中能在多大程度上解決這個難題心存疑慮。而在部署后經(jīng)過半年的實際運行，鏈路保持穩(wěn)定，運行指標完全達到設(shè)計要求。

2.鏈路聚合技術(shù)

除了高調(diào)制技術(shù)外，鏈路聚合技術(shù)也是實現(xiàn)高帶寬的重要技術(shù)手段。目前，鏈路聚合技術(shù)在交換網(wǎng)絡(luò)里已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，并獲得主流廠家的支持。鏈路聚合技術(shù)的實質(zhì)就是將不同的物理鏈路在邏輯上捆綁成一條鏈路，從而實現(xiàn)微波鏈路容量的擴充。

（1）傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)

傳統(tǒng)鏈路聚合技術(shù)是通過HASH算法，根據(jù)不同數(shù)據(jù)流中攜帶的諸如IP地址、MAC地址、端口號等參數(shù)進行運算，根據(jù)運算結(jié)果把不同的數(shù)據(jù)流分配到不同的微波鏈路上，從而實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)傳輸；如果其中一條鏈路出現(xiàn)故障，業(yè)務(wù)還可以自動倒換到其他無故障的鏈路上。因此，鏈路聚合技術(shù)除了實現(xiàn)微波鏈路容量的擴充，還在一定程度上實現(xiàn)了不同鏈路之間的業(yè)務(wù)保護。

然而，傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)數(shù)據(jù)流和微波鏈路之間存在著嚴格的關(guān)系。這是因為標準 Hashing算法利用不同的計算參數(shù)來將不同的數(shù)據(jù)流映射到物理鏈路中，如果這些參數(shù)的值相差不大，就會出現(xiàn)多個數(shù)據(jù)流被分配到一條微波鏈路里的情況。這樣會導(dǎo)致某些鏈路出現(xiàn)擁塞，而某些鏈路始終空閑的問題，無法實現(xiàn)負載的優(yōu)化分布。結(jié)果是邏輯鏈路里的一些鏈路始終被選中，而其他鏈路則未被充分利用。

NEC微波設(shè)備在鏈路聚合技術(shù)上除了支持傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)，還研發(fā)了獨有的射頻RTA聚合算法，用于實現(xiàn)微波鏈路的聚合。該算法不再以數(shù)據(jù)流為單位進行業(yè)務(wù)分配，而是以數(shù)據(jù)包為單位進行負載的均衡分布。這樣充分利用了鏈路資源，實現(xiàn)了實際意義上的鏈路擴容。

（2）多鏈路射頻RTA聚合算法

射頻RTA聚合算法是把數(shù)據(jù)包在邏輯鏈路里進行均衡分配，確保每個數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包保持正確的序列。每個流的分配情況取決于當時的鏈路容量水平。

在圖1中，鏈路數(shù)量N最大可以支持到8個鏈路，當接收到數(shù)據(jù)流時，RTA聚合算法可以根據(jù)數(shù)據(jù)包到來的時間將數(shù)據(jù)包按順序進行標記并依次分配到8個鏈路中，在接收端再根據(jù)標記將不同鏈路上接收到的數(shù)據(jù)包按順序組合成一個完整的數(shù)據(jù)流。這樣就可以把八個物理鏈路在邏輯上當作一條邏輯鏈路使用，從而實現(xiàn)微波鏈路容量的增加，與傳統(tǒng)的鏈路聚合技術(shù)相比，均衡算法射頻RTA聚合算法技術(shù)不再對數(shù)據(jù)流有限制。即使是大業(yè)務(wù)量的數(shù)據(jù)流，也可以平均地分配到不同的微波通道上進行傳輸。而且，由于是均衡負載分配，用戶可以隨時掌握各鏈路的利用率。這大大提高了鏈路聚合技術(shù)的實用性。

另外，多鏈路引擎能感知流量的QoS要求，以確保服務(wù)等級協(xié)議（SLA）的有效性。當多鏈路的容量發(fā)生變化時，多鏈路引擎使用整條虛擬鏈路的實時狀態(tài)信息來調(diào)整整個邏輯鏈路中的流量分配，從而改善頻譜效率。多鏈路系統(tǒng)不要求有冗余的保護鏈路來保護鏈路容量。相反，多鏈路系統(tǒng)使用鏈路束中活躍鏈路的冗余容量的概念。

當使用自適應(yīng)調(diào)制時，極少情況下，多鏈路束中的可用容量小于需求容量，此時承諾的高優(yōu)先級流量被保障傳輸，而最大限度流量則被舍棄，從而實現(xiàn)了鏈路容量降低時保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

對于業(yè)務(wù)保護，RTA聚合算法同樣可以輕松實現(xiàn)，如圖2所示。 當一條鏈路出現(xiàn)故障時，如果其余鏈路還有冗余，故障鏈路上的數(shù)據(jù)包可以再重新分配到其他鏈路上，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸。在這種情況下，RTA聚合算法可以比起傳統(tǒng)微波的N+1保護方式提供保護性能更強的N+N保護。鏈路可用度成倍增加。

三、煙臺移動跨海微波實際使用情況

煙臺移動在蓬萊及外島之間部署微波鏈路完成后，單跳設(shè)計傳輸容量按4Gbps進行部署。安裝完畢后，對鏈路性能和傳輸容量進行了測試：

使用以太網(wǎng)分析儀進行測試，結(jié)果顯示微波鏈路傳輸容量完全可以達到4Gbps的設(shè)計要求。在4096QAM調(diào)試方式下的傳輸中，連續(xù)24小時零誤碼。

經(jīng)過六個月的長期觀察，部署的微波均能保持穩(wěn)定的傳輸，為海島5G站點開通提供了穩(wěn)定的傳輸帶寬。運行結(jié)果表明，該方案具有較強的實用性，針對長島特殊地理環(huán)境，維護受限于船只通航情況，下島處理故障短則1天，遇惡劣天氣，會出現(xiàn)連續(xù)半月無船通航的情況。在前期海纜中斷情況下，面臨大量用戶投訴和無網(wǎng)絡(luò)可用的情況下，只能等待海纜維修以恢復(fù)業(yè)務(wù)。隨著長島公司業(yè)務(wù)量的發(fā)展，家寬、2G/4G/5G和集客業(yè)務(wù)普及，以及5G-2.6G和700M基站深度覆蓋，業(yè)務(wù)復(fù)雜性和多樣性對網(wǎng)絡(luò)安全提出更高要求。實踐證明，本方案有效解決了這些問題，為整個長島居民的業(yè)務(wù)需求提供了強有力的保障。

本方案完成后主要解決以下問題：

1.海纜可用率較低：根據(jù)故障統(tǒng)計，2017年至2021年8月，長島多次出現(xiàn)海纜中斷。平均每年中斷15.7次，共計37天，海纜的可用率為89.8%。本成果解決海纜頻繁中斷對業(yè)務(wù)的影響。

2.提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性：通過此成果，大幅提升了長島業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。相較之前，全部業(yè)務(wù)依托于海纜承載，現(xiàn)在業(yè)務(wù)增加了雙重保護，有利于提升客戶滿意度。

3.提升惡劣天氣網(wǎng)絡(luò)安全：由于光纜損耗較大，傳輸層面容易產(chǎn)生較多的誤碼，之前出現(xiàn)的問題都需要緊急前往下島處理，受制于惡劣天氣船只通航的問題。而通過本方案，可以通過遠程關(guān)斷誤碼較大的端口，強制將傳輸切換至微波鏈路，恢復(fù)正常傳輸。待通航后再切換回光纜。

4.性能可視化監(jiān)測：原先的OMC網(wǎng)管只能監(jiān)測邏輯線路光功率，無法準確監(jiān)測微波實時性能。本次改造實現(xiàn)微波網(wǎng)管動態(tài)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析、參數(shù)緊急調(diào)整等功能。這減少了現(xiàn)場人工處理時間和提高了響應(yīng)效率。

四、煙臺移動跨海微波方案總結(jié)

該項目方案具有較強的可推廣性和可復(fù)制性。特別是在海島路由受限的情況下，可參考此方案。后期非陸連島以及省內(nèi)外沿海城市，對業(yè)務(wù)接入可用此方式進行業(yè)務(wù)保護。

微波組網(wǎng)：適用于光纜布放存在困難的山區(qū)、河流、跨海、海上牧場、鉆井平臺等應(yīng)用場景。隨著傳輸帶寬需求增加，對10GE微波的需求也增加。本成果主要通過10GE跨海微波方式，經(jīng)過測試，傳輸帶寬可滿足4Gbps傳輸需求（跨海距離較遠），短距離傳輸帶寬更大。

環(huán)網(wǎng)保護：PTN環(huán)網(wǎng)保護可通過軟件升級實現(xiàn)。適用于業(yè)務(wù)要求級別較高，骨干、匯聚、接入層存在異側(cè)業(yè)務(wù)同路由場景下的保護?？蓪崿F(xiàn)業(yè)務(wù)分環(huán)網(wǎng)級別保護，有效抗兩點斷。

海纜+微波搭建承載平臺：受限海纜成本，海纜一般租用或共建兩芯作為OTN的載體，可最大限度地擴展業(yè)務(wù)帶寬，開通大容量業(yè)務(wù)，節(jié)省投資成本。而微波起到了業(yè)務(wù)保護的作用，在海纜搶修受阻、周期較長等因素的影響下，有效保障用戶的正常使用。

作者單位：林曉波 陳曉偉 胡鵬飛 煙臺移動公司網(wǎng)絡(luò)部

郭冰 海軍航空大學(xué)

馮華偉 煙臺移動公司工程建設(shè)中心

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